Dalam kehidupan sehari-hari, kita semua kadang-kadang menemukan fenomena yang menyertai proses transisi zat dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya. Dan paling sering kita harus mengamati fenomena seperti itu pada contoh salah satu senyawa kimia paling umum - air yang terkenal dan akrab. Dari artikel ini Anda akan mempelajari bagaimana transformasi air cair menjadi es padat terjadi - proses yang disebut kristalisasi air - dan ciri-ciri apa yang mencirikan transisi ini.
Apa itu transisi fase?
Semua orang tahu bahwa di alam ada tiga keadaan agregat utama (fase) materi: padat, cair dan gas. Seringkali keadaan keempat ditambahkan ke dalamnya - plasma (karena fitur yang membedakannya dari gas). Namun, ketika berpindah dari gas ke plasma, tidak ada batas tajam yang khas, dan sifat-sifatnya tidak terlalu ditentukanhubungan antar partikel materi (molekul dan atom), seberapa besar keadaan atom itu sendiri.
Semua zat, berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain, dalam kondisi normal tiba-tiba mengubah sifat mereka (dengan pengecualian beberapa keadaan superkritis, tetapi kami tidak akan menyentuhnya di sini). Transformasi semacam itu adalah transisi fase, atau lebih tepatnya, salah satu varietasnya. Itu terjadi pada kombinasi tertentu dari parameter fisik (suhu dan tekanan), yang disebut titik transisi fase.
Transformasi cairan menjadi gas adalah penguapan, fenomena sebaliknya adalah kondensasi. Peralihan suatu zat dari padat ke cair adalah melebur, tetapi jika prosesnya berlawanan arah, maka itu disebut kristalisasi. Benda padat dapat segera berubah menjadi gas dan sebaliknya - dalam kasus ini mereka berbicara tentang sublimasi dan desublimasi.
Selama kristalisasi, air berubah menjadi es dan dengan jelas menunjukkan seberapa besar perubahan sifat fisiknya. Mari kita membahas beberapa detail penting dari fenomena ini.
Konsep kristalisasi
Ketika cairan membeku selama pendinginan, sifat interaksi dan susunan partikel zat berubah. Energi kinetik dari gerakan termal acak dari partikel penyusunnya berkurang, dan mereka mulai membentuk ikatan yang stabil satu sama lain. Ketika molekul (atau atom) berbaris secara teratur dan teratur melalui ikatan ini, struktur kristal padatan terbentuk.
Kristalisasi tidak secara bersamaan menutupi seluruh volume cairan yang didinginkan, tetapi dimulai dengan pembentukan kristal kecil. Inilah yang disebut pusat kristalisasi. Mereka tumbuh berlapis-lapis, bertahap, dengan menambahkan lebih banyak molekul atau atom materi di sepanjang lapisan yang tumbuh.
Kondisi kristalisasi
Kristalisasi membutuhkan pendinginan cairan hingga suhu tertentu (ini juga merupakan titik leleh). Jadi, suhu kristalisasi air pada kondisi normal adalah 0 °C.
Untuk setiap zat, kristalisasi ditandai dengan jumlah panas laten. Ini adalah jumlah energi yang dilepaskan selama proses ini (dan dalam kasus sebaliknya, masing-masing, energi yang diserap). Panas spesifik kristalisasi air adalah panas laten yang dilepaskan oleh satu kilogram air pada 0 °C. Dari semua zat di dekat air, itu adalah salah satu yang tertinggi dan sekitar 330 kJ / kg. Nilai yang begitu besar disebabkan oleh fitur struktural yang menentukan parameter kristalisasi air. Kami akan menggunakan rumus untuk menghitung panas laten di bawah ini, setelah mempertimbangkan fitur-fitur ini.
Untuk mengimbangi panas laten, cairan perlu didinginkan terlebih dahulu untuk memulai pertumbuhan kristal. Tingkat supercooling memiliki efek yang signifikan pada jumlah pusat kristalisasi dan pada laju pertumbuhannya. Selama proses berlangsung, pendinginan lebih lanjut suhu zat tidak berubah.
Molekul air
Untuk lebih memahami bagaimana air mengkristal, Anda perlu mengetahui bagaimana molekul senyawa kimia ini disusun, karenastruktur molekul menentukan karakteristik ikatan yang terbentuk.
Satu atom oksigen dan dua atom hidrogen digabungkan dalam sebuah molekul air. Mereka membentuk segitiga sama kaki tumpul di mana atom oksigen terletak di puncak sudut tumpul 104,45 °. Dalam hal ini, oksigen dengan kuat menarik awan elektron ke arahnya, sehingga molekulnya adalah dipol listrik. Muatan di dalamnya didistribusikan di atas simpul piramida tetrahedral imajiner - tetrahedron dengan sudut internal sekitar 109 °. Akibatnya, molekul tersebut dapat membentuk empat ikatan hidrogen (proton), yang tentu saja mempengaruhi sifat-sifat air.
Fitur struktur air cair dan es
Kemampuan molekul air untuk membentuk ikatan proton dimanifestasikan dalam keadaan cair dan padat. Ketika air berbentuk cair, ikatan ini cukup tidak stabil, mudah dihancurkan, tetapi juga terus-menerus terbentuk kembali. Karena keberadaannya, molekul air terikat lebih kuat satu sama lain daripada partikel cairan lainnya. Bergaul, mereka membentuk struktur khusus - kelompok. Untuk alasan ini, titik fase air digeser ke arah suhu yang lebih tinggi, karena penghancuran asosiasi tambahan semacam itu juga membutuhkan energi. Selain itu, energinya cukup signifikan: jika tidak ada ikatan dan gugus hidrogen, suhu kristalisasi air (serta lelehnya) akan menjadi –100 °C, dan titik didih +80 °C.
Struktur gugus identik dengan struktur kristal es. Menghubungkan masing-masing dengan empat tetangga, molekul air membangun struktur kristal kerawang dengan alas berbentuk segi enam. Tidak seperti air cair, di mana mikrokristal - kelompok - tidak stabil dan bergerak karena pergerakan termal molekul, ketika es terbentuk, mereka mengatur ulang diri mereka sendiri secara stabil dan teratur. Ikatan hidrogen memperbaiki pengaturan timbal balik dari situs kisi kristal, dan sebagai hasilnya, jarak antara molekul menjadi agak lebih besar daripada di fase cair. Keadaan ini menjelaskan lonjakan densitas air selama kristalisasi - densitas turun dari hampir 1 g/cm3 menjadi sekitar 0,92 g/cm3.
Tentang panas laten
Fitur struktur molekul air sangat serius tercermin dalam sifat-sifatnya. Hal ini dapat dilihat, khususnya, dari panas spesifik kristalisasi air yang tinggi. Justru karena adanya ikatan proton, yang membedakan air dari senyawa lain yang membentuk kristal molekul. Telah ditetapkan bahwa energi ikatan hidrogen dalam air adalah sekitar 20 kJ per mol, yaitu, untuk 18 g. Sebagian besar ikatan ini terbentuk "secara massal" ketika air membeku - di sinilah pengembalian energi yang begitu besar berasal dari.
Mari kita beri perhitungan sederhana. Biarkan 1650 kJ energi dilepaskan selama kristalisasi air. Ini banyak: energi setara dapat diperoleh, misalnya, dari ledakan enam granat lemon F-1. Mari kita hitung massa air yang telah mengalami kristalisasi. Rumus yang menghubungkan jumlah panas laten Q, massa m dan panas spesifik kristalisasisangat sederhana: Q=–m. Tanda minus berarti bahwa panas dilepaskan oleh sistem fisik. Mengganti nilai yang diketahui, kita mendapatkan: m=1650/330=5 (kg). Hanya 5 liter yang dibutuhkan untuk mengeluarkan energi sebanyak 1650 kJ selama kristalisasi air! Tentu saja, energi tidak diberikan secara instan - prosesnya berlangsung cukup lama, dan panasnya hilang.
Banyak burung, misalnya, sangat menyadari sifat air ini, dan menggunakannya untuk berjemur di dekat air danau dan sungai yang membeku, di tempat-tempat seperti itu suhu udara beberapa derajat lebih tinggi.
Kristalisasi solusi
Air adalah pelarut yang luar biasa. Zat terlarut di dalamnya menggeser titik kristalisasi, sebagai suatu peraturan, ke bawah. Semakin tinggi konsentrasi larutan, semakin rendah suhu akan membeku. Contoh mencolok adalah air laut, di mana banyak garam yang berbeda dilarutkan. Konsentrasi mereka dalam air laut adalah 35 ppm, dan air tersebut mengkristal pada -1,9 °C. Salinitas air di laut yang berbeda sangat berbeda, sehingga titik bekunya juga berbeda. Dengan demikian, air B altik memiliki salinitas tidak lebih dari 8 ppm, dan suhu kristalisasinya mendekati 0 °C. Air tanah yang termineralisasi juga membeku pada suhu di bawah nol. Harus diingat bahwa kita selalu berbicara hanya tentang kristalisasi air: es laut hampir selalu segar, dalam kasus ekstrim, sedikit asin.
Larutan berair dari berbagai alkohol juga berbeda dalam reduksititik beku, dan kristalisasinya tidak berlangsung secara tiba-tiba, tetapi dengan kisaran suhu tertentu. Misalnya, alkohol 40% mulai membeku pada -22,5 °C dan akhirnya mengkristal pada -29,5°C.
Tapi larutan alkali seperti soda kaustik NaOH atau kaustik adalah pengecualian yang menarik: hal ini ditandai dengan peningkatan suhu kristalisasi.
Bagaimana air murni membeku?
Dalam air suling, struktur gugus rusak karena penguapan selama penyulingan, dan jumlah ikatan hidrogen antara molekul air tersebut sangat kecil. Selain itu, air tersebut tidak mengandung kotoran seperti partikel debu mikroskopis tersuspensi, gelembung, dll., yang merupakan pusat tambahan pembentukan kristal. Untuk alasan ini, titik kristalisasi air suling diturunkan ke -42 °C.
Dimungkinkan untuk mendinginkan air suling bahkan hingga -70 °C. Dalam keadaan ini, air superdingin mampu mengkristal hampir seketika di seluruh volume dengan sedikit guncangan atau masuknya pengotor yang tidak signifikan.
Air panas paradoks
Fakta yang menakjubkan - air panas berubah menjadi kristal lebih cepat daripada air dingin - disebut "efek Mpemba" untuk menghormati anak sekolah Tanzania yang menemukan paradoks ini. Lebih tepatnya, mereka mengetahuinya di zaman kuno, namun, tidak menemukan penjelasan, para filsuf alam dan ilmuwan alam akhirnya berhenti memperhatikan fenomena misterius itu.
Pada tahun 1963, Erasto Mpemba terkejut bahwaCampuran es krim hangat lebih cepat terbentuk daripada campuran es krim dingin. Dan pada tahun 1969, sebuah fenomena yang menarik telah dikonfirmasi dalam eksperimen fisik (omong-omong, dengan partisipasi Mpemba sendiri). Efeknya dijelaskan dengan berbagai alasan:
- lebih banyak pusat kristalisasi seperti gelembung udara;
- disipasi panas tinggi air panas;
- tingkat penguapan yang tinggi, mengakibatkan penurunan volume cairan.
Tekanan sebagai faktor kristalisasi
Hubungan antara tekanan dan suhu sebagai besaran kunci yang mempengaruhi proses kristalisasi air tercermin dengan jelas dalam diagram fase. Dapat dilihat darinya bahwa dengan meningkatnya tekanan, suhu transisi fase air dari cair ke padat menurun sangat lambat. Tentu, kebalikannya juga benar: semakin rendah tekanan, semakin tinggi suhu yang dibutuhkan untuk pembentukan es, dan ia tumbuh sama lambatnya. Untuk mencapai kondisi di mana air (tidak disuling!) Mampu mengkristal menjadi es biasa Ih pada suhu serendah mungkin -22 ° C, tekanan harus ditingkatkan menjadi 2085 atmosfer.
Suhu kristalisasi maksimum sesuai dengan kombinasi kondisi berikut, yang disebut titik tripel air: 0,006 atmosfer dan 0,01 °C. Dengan parameter seperti itu, titik kristalisasi-lebur dan kondensasi-mendidih bertepatan, dan ketiga keadaan agregasi air hidup berdampingan dalam kesetimbangan (tanpa adanya zat lain).
Banyak jenis es
Saat ini diketahui sekitar 20 modifikasikeadaan padat air - dari amorf ke es XVII. Semuanya, kecuali es Ih biasa, memerlukan kondisi kristalisasi yang eksotik bagi Bumi, dan tidak semuanya stabil. Hanya es Ic yang sangat jarang ditemukan di lapisan atas atmosfer bumi, tetapi pembentukannya tidak terkait dengan pembekuan air, karena terbentuk dari uap air pada suhu yang sangat rendah. Es XI ditemukan di Antartika, tetapi modifikasi ini merupakan turunan dari es biasa.
Dengan kristalisasi air pada tekanan yang sangat tinggi, dimungkinkan untuk memperoleh modifikasi es seperti III, V, VI, dan dengan peningkatan suhu secara simultan - es VII. Kemungkinan beberapa dari mereka dapat terbentuk dalam kondisi yang tidak biasa bagi planet kita di badan tata surya lain: di Uranus, Neptunus, atau satelit besar planet raksasa. Kita harus berpikir bahwa eksperimen masa depan dan studi teoretis tentang sifat es ini yang masih sedikit dipelajari, serta fitur proses kristalisasinya, akan memperjelas masalah ini dan membuka lebih banyak hal baru.
